[논문]철근콘크리트 모멘트 골조시스템에서 조적 끼움벽의 내진성능

홍종국

doi:10.11112/jksmi.2019.23.1.19

[국내논문] 철근콘크리트 모멘트 골조시스템에서 조적 끼움벽의 내진성능
Seismic Performance of Concrete Masonry Unit (CMU) Infills in Reinforced Concrete Moment Framing System 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.1, 2019년, pp.19 - 26

홍종국 (주식회사 탑인프라)

초록
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조적 끼움벽은 건축물의 건설에 있어서 공간을 나누고 구획하는데 사용되는 가장 흔한 시스템 중의 하나이다. 조적 끼움벽의 많은 장점에도 불구하고, 대상 시스템은 지진하중에 대하여 주의를 가지고 사용되어야 한다. 지진이 작용하는 동안 끼움벽에는 대각 방향의 압축 스트럿이 형성되면서 주변의 RC 골조에 작용하는 요구 하중을 크게 한다. 특히 개구부가 있는 조적 끼움벽의 경우, 하중 전달과정이 매우 복잡하기 때문에 시스템의 설계에 있어서 엔지니어의 주관적인 판단이 필요하게 된다. 본 연구에서는 개구부를 갖는 조적 끼움벽에 대하여 유한요소해석(FEA)를 실시하여 거동을 조사하였고, 그 결과를 현행 설계기준인 ASCE 41을 적용한 경우와 비교하였다. ASCE 41의 기준을 적용할 때, 압축 스트럿의 등가폭이 FEA를 통한 결과에 비하여 32%까지 작게 나타났다. 또한 하중저항 능력은 ASCE 41을 적용한 경우 FEA에 의한 결과에 비하여 28% 작게 나타났다. 따라서 상당한 노력이 필요한 FEA를 대신하여, 조적 끼움벽의 해석과 설계에 ASCE 41을 적용하면 약 25% 수준의 보수적이며 적절한 결과를 얻을 수다고 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The masonry infill walls are one of the most popular components that are used for dividing and arranging spaces in building construction. In spite of the fact that the masonry infills have many advantages, the system needs to be used with caution when the earthquake load is to be considered. The infills tend to develop diagonal compression struts during earthquake and increase the demand in surrounding RC frames. If there are openings in the infill walls, the loading path gets even complicated and the engineering judgements are required for designing the system. In this study, a masonry infill system was investigated through finite element analysis (FEA) and the results were compared with the current design standard, ASCE 41. It is noted that the equivalent width of the compression strut estimated by ASCE 41 could be 32% less than that using detailed FEA. The global load resisting capacity was also estimated by 28% less when ASCE 41 was used compare to the FEA case. Rather than using expensive FEA, the adapting ASCE 41 for the analysis and design of the masonry infills with openings would provide a good estimation by about 25% conservatively.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Failure Mechanisms of Infilled Frames(Mehrabi, 1994)
그림 Fig. 2 Compression Strut Analogy (ASCE 41-17)
그림 Fig. 3 Target Building
그림 Fig. 4 Finite Element Model (LS-Dyna)
그림 Fig. 5 Deformed Shape and Principal Stress
그림 Fig. 6 Compression Strut at 1^st Story (Principal Stress)
그림 Fig. 7 Correlation Study
표 Table 1 Compression Strut in Masonry Infill per ASCE 41-17
표 Table 2 Plastic Hinge Properties for Compression Strut
그림 Fig. 8 Seismic Performance of Target Building
표 Table 3 Earthquake Hazard Level and Spectral Response Accelerations at Given Site

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 창호배치를 위한 조적 끼움벽의 지진거동을 구조해석으로 통해 살펴보고, 설계기준과 해석결과를 비교하고, 실제 구조물에 적용하여 그 내진성능을 평가하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

조적 끼움벽의 거동을 알아보기 위하여 구조물의 일부를 고려하여 상세해석을 실시하였다. 외벽을 따라 콘크리트 슬래브 -기둥 모멘트 골조와 조적 끼움벽이 일정한 패턴을 가지고 있기 때문에 Fig.
조적 끼움벽의 거동을 알아보기 위하여 구조물의 일부를 고려하여 상세해석을 실시하였다. 외벽을 따라 콘크리트 슬래브 -기둥 모멘트 골조와 조적 끼움벽이 일정한 패턴을 가지고 있기 때문에 Fig. 3(c)에서 나타된 것과 같이 중앙부의 두 경간을 대상으로 하여 구조시스템의 일반적 거동을 살펴보았다.
Fig. 4와 같이 비선형 유한요소해석 소프트웨어인 LS-Dyna (2017)를 이용하여 대상구조물의 전형적인 두 경간에 대한 부분모델링을 통한 3차원 상세해석을 하였다. 기하학적인 골조 모델은 구조 도면상에서 나타난 각 부재의 형상과 재료의 특성을 가능한 완벽하게 재현하고자 하였고 특히, 콘크리트 블록에 서 모르타르로 채워진 셀과 채워지지 않은 셀을 구분하여 모델링하였다.
4와 같이 비선형 유한요소해석 소프트웨어인 LS-Dyna (2017)를 이용하여 대상구조물의 전형적인 두 경간에 대한 부분모델링을 통한 3차원 상세해석을 하였다. 기하학적인 골조 모델은 구조 도면상에서 나타난 각 부재의 형상과 재료의 특성을 가능한 완벽하게 재현하고자 하였고 특히, 콘크리트 블록에 서 모르타르로 채워진 셀과 채워지지 않은 셀을 구분하여 모델링하였다. 콘크리트 골조와 콘크리트 블록은 Solid Element를 이용하여 형상화하였고 *Mat_Brittle_Damage를 적용하여 재료의 강도와 취성적인 특성을 구현하였다.
기하학적인 골조 모델은 구조 도면상에서 나타난 각 부재의 형상과 재료의 특성을 가능한 완벽하게 재현하고자 하였고 특히, 콘크리트 블록에 서 모르타르로 채워진 셀과 채워지지 않은 셀을 구분하여 모델링하였다. 콘크리트 골조와 콘크리트 블록은 Solid Element를 이용하여 형상화하였고 *Mat_Brittle_Damage를 적용하여 재료의 강도와 취성적인 특성을 구현하였다. Erosion 옵션을 적용하여 한계하중(임계응력)에 대한 Element의 균열효과를 반영할 수 있도록 하였다.
콘크리트 골조와 콘크리트 블록은 Solid Element를 이용하여 형상화하였고 *Mat_Brittle_Damage를 적용하여 재료의 강도와 취성적인 특성을 구현하였다. Erosion 옵션을 적용하여 한계하중(임계응력)에 대한 Element의 균열효과를 반영할 수 있도록 하였다. 반면 철근은 Beam Element를 이용하여 형상화하였고 *Mat_Piecewise_Linear_Plasticity를 적용하여 연성을 갖는 철근의 재료 특성이 반영되도록 하였다.
Erosion 옵션을 적용하여 한계하중(임계응력)에 대한 Element의 균열효과를 반영할 수 있도록 하였다. 반면 철근은 Beam Element를 이용하여 형상화하였고 *Mat_Piecewise_Linear_Plasticity를 적용하여 연성을 갖는 철근의 재료 특성이 반영되도록 하였다.
철근과 콘크리트의 경계는 해석의 변수를 최소화하기 위하여 미끄러짐이 발생하지 않는 완전한 부착(Perfect Bond)를 가 정하여 *Constrained_Lagrange_in_Solid를 적용하였다. 콘크리트 구조체와 콘크리트 블록의 경계는 *Contact Element를 적용하여 각 접합면에서 지압 또는 분리가 발생할 수 있도록 하였다.
철근과 콘크리트의 경계는 해석의 변수를 최소화하기 위하여 미끄러짐이 발생하지 않는 완전한 부착(Perfect Bond)를 가 정하여 *Constrained_Lagrange_in_Solid를 적용하였다. 콘크리트 구조체와 콘크리트 블록의 경계는 *Contact Element를 적용하여 각 접합면에서 지압 또는 분리가 발생할 수 있도록 하였다. 경계조건은 콘크리트 기둥 하부의 기초에 해당되는 면적을 변위에 대하여 고정하였고, 횡 하중은 각 층에서 1차모드 (역삼각형 패턴)에 해당되는 수평변위를 가하였다.
콘크리트 구조체와 콘크리트 블록의 경계는 *Contact Element를 적용하여 각 접합면에서 지압 또는 분리가 발생할 수 있도록 하였다. 경계조건은 콘크리트 기둥 하부의 기초에 해당되는 면적을 변위에 대하여 고정하였고, 횡 하중은 각 층에서 1차모드 (역삼각형 패턴)에 해당되는 수평변위를 가하였다.
7과 같이 연관성 분석(Correlation Analysis)을 실시하였다. 상세 모델과 같은 조건을 유지하기 위하여 대상 구조물의 두 경간에 대하여 구조해석 상용 프로그램인 ETABS (Computers and Structures Inc., 2014)를 이용하여 모델링 하였다. 조적 끼움벽은 ASCE 41-17에 따라 계산된 압축 스트럿의 유효폭과 유효강도 및 강성을 갖도록 단순화하였다.
, 2014)를 이용하여 모델링 하였다. 조적 끼움벽은 ASCE 41-17에 따라 계산된 압축 스트럿의 유효폭과 유효강도 및 강성을 갖도록 단순화하였다. 압축 스트럿의 소성힌지(Plastic Hinge) 특성은 Table 2와 같다.
앞장의 결과를 기반으로 현행 설계기준인 ASCE 41-17에 따라 비선형 정적해석(Nonlinear Static Analysis)을 통하여 대상건물의 내진성능을 평가하였다. 성능기반 내진설계(PerformanceBased Seismic Design) 개념을 적용하여 기본 안전목표(Basic Safety Objective)를 지진 재현주기 225년에 대하여 인명안전 성능수준(Life Safety Performance Level)과 지진 재현주기 975년에 대해 붕괴방지 성능수준(Collapse Prevention Performance Level)을 확보하는 것으로 하였다. Table 3은 해당 위치에서 지진위험도에 따른 응답가속도를 나타내고 있다.
8과 같이 대상 구조물의 내진성능은 ETABS를 이용한 3차원 구조해석을 통하여 평가하였다. 전체적인 구조물의 형 상은 구조 도면을 따르되 조적 끼움벽은 압축 스트럿을 적용하여 단순화 하였고 경계조건으로 기둥의 최하단부에 단순지지를 적용하였다. ASCE 41-17의 비선형 정적해석 절차에 따라 구조물의 작용하는 하중은 1.
전체적인 구조물의 형 상은 구조 도면을 따르되 조적 끼움벽은 압축 스트럿을 적용하여 단순화 하였고 경계조건으로 기둥의 최하단부에 단순지지를 적용하였다. ASCE 41-17의 비선형 정적해석 절차에 따라 구조물의 작용하는 하중은 1.1(DL + 0.25LL)에 해당되는 중력 하중을 우선 작용하고, 중력하중이 작용된 상태에서 건물의 길이 방향으로 1차진동모드에 대한 형상으로 각 층에 변위를 가하였다. 여기서 DL은 사하중(Dead Load), LL은 활하중(Live Load)을 나타낸다.
현행 설계기준으로 사용되는 ASCE 41-17에서는 정형화된 개구부가 적용된 경우에 대하여 조적 끼움벽의 압축 스트럿 해석절차를 설명하고 있기 때문에 개구부의 위치나 형상이 달라지는 경우는 구조 엔지니어의 경험과 판단에 의지할 수밖에 없다. 따라 서 본 연구에서는 비선형 유한 요소해석 통하여 개구부를 갖는 조적 끼움벽을 적용한 구조시스템의 성능을 평가하였고 ASCE 41-17을 적용한 결과와 비교하였다

대상 데이터

구조물에서 사용된 콘크리트의 압축강도(f’c)는 20.7MPa (3,000psi)이며 콘크리트 블록의 압축강도(f‘m)는 10.3MPa (1,500psi)이다.
Fig. 3는 본 연구의 대상건축물로 강진지역인 미국 캘리포니아에 위치한 3층 규모의 한 대학교 기숙사 건물이다. 1994년 Northridge 지진발생 이전인 1980년대에 건설된 해당 건축물은 H형으로 배치된 3개의 Segment로 구성되어 있으며 각각의 Segment는 신축이음(Expansion Joint)으로 연결되어 구조적으로 완전히 분리되어 있다.
대상건축물은 플랫 플레이트(Flat Plate) 구조시스템을 적용하여 중력하중을 지지하며 슬래브-기둥 모멘트 골조에 의해 지진하중에 저항하도록 설계가 되어있다. 건축적인 요구를 충족하기 위하여 정형화된 평면 및 입면을 적용하고 있다.
3MPa (1,500psi)이다. 철근의 인장강도(f_y)는 275MPa (40,000psi)가 적용되었다.

데이터처리

상세 해석결과와 설계기준에 따른 결과를 비교하기 위하여 Fig. 7과 같이 연관성 분석(Correlation Analysis)을 실시하였다. 상세 모델과 같은 조건을 유지하기 위하여 대상 구조물의 두 경간에 대하여 구조해석 상용 프로그램인 ETABS (Computers and Structures Inc.
Fig. 8과 같이 대상 구조물의 내진성능은 ETABS를 이용한 3차원 구조해석을 통하여 평가하였다. 전체적인 구조물의 형 상은 구조 도면을 따르되 조적 끼움벽은 압축 스트럿을 적용하여 단순화 하였고 경계조건으로 기둥의 최하단부에 단순지지를 적용하였다.

이론/모형

앞장의 결과를 기반으로 현행 설계기준인 ASCE 41-17에 따라 비선형 정적해석(Nonlinear Static Analysis)을 통하여 대상건물의 내진성능을 평가하였다. 성능기반 내진설계(PerformanceBased Seismic Design) 개념을 적용하여 기본 안전목표(Basic Safety Objective)를 지진 재현주기 225년에 대하여 인명안전 성능수준(Life Safety Performance Level)과 지진 재현주기 975년에 대해 붕괴방지 성능수준(Collapse Prevention Performance Level)을 확보하는 것으로 하였다.

성능/효과

이 계산에 따르면, 좌측 조적벽의 유효폭은 382mm이고 우측 조적벽의 유효 폭은 511mm가 된다. 이는 해석상 관찰된 압축 스트럿의 유효 폭과 비교하면 ASCE 41-17의 제안 방법이 약 24 ~ 32% 작은 유효폭으로 계산됨을 알 수 있다.
7(b)는 1층에서 층 전단력과 층간변위를 나타내고 있다. LS-Dyna의 상세해석 결과를 보면, 전체 시스템의 성능은 콘크리트 골조와 조적 끼움벽의 기여로 구성됨을 알 수 있다. 횡변위가 낮은 구간에서는 면내강성이 큰 조적 끼움벽의 기여가 매우 큰 반면, 횡변위가 증가함에 따라 조적 끼움벽의 강도가 떨어지게 되면서 콘크리트 골조의 기여도가 증가한다.
횡변위가 낮은 구간에서는 면내강성이 큰 조적 끼움벽의 기여가 매우 큰 반면, 횡변위가 증가함에 따라 조적 끼움벽의 강도가 떨어지게 되면서 콘크리트 골조의 기여도가 증가한다. 최대 층 전단력은 432 kN 까지 관찰되었고 층간변위가 59mm에 이르렀을 때 조적 끼움벽의 기여도가 급격히 감소하고 골조에 작용하는 하중이 증가함을 알 수 있다.
ASCE 41-17의 계산결과를 반영하고 압축 스트럿을 적용한 단순화한 모델의 경우, 최대 층 전단력은 313 kN로 관찰되었고 이는 상세모델의 결과와 비교할 경우 약 28% 작은 값이다. ETABS 해석에서는 수학적 모델의 안정성(Stability) 문제로 층간 변위 53mm에서 더 이상 진행되지 못하였는데 이는 압축 스트럿의 급격한 저항성능 감소에 기인한 것이다.
연관성 분석을 통하여 조적 끼움벽을 갖는 구조물의 내진 거동을 평가할 때 ASCE 41-17등의 구조 기준에서 방법에 따르면 실제 예상되는 거동에 비하여 약 25% 정도 보수적인 평가가 이루어짐을 알 수 있었다. 구조엔지니어의 구조설계를 보수적으로 유도하고, 재료의 비균질성 및현장의 시공 오차등을 고려한다면, 현행 구조 설계기준에서 제시한 방법으로 조적 끼움벽을 평가하는 것이 안전하고 합리적인 결과로 이끌수 있다고 판단된다.
연관성 분석을 통하여 조적 끼움벽을 갖는 구조물의 내진 거동을 평가할 때 ASCE 41-17등의 구조 기준에서 방법에 따르면 실제 예상되는 거동에 비하여 약 25% 정도 보수적인 평가가 이루어짐을 알 수 있었다. 구조엔지니어의 구조설계를 보수적으로 유도하고, 재료의 비균질성 및현장의 시공 오차등을 고려한다면, 현행 구조 설계기준에서 제시한 방법으로 조적 끼움벽을 평가하는 것이 안전하고 합리적인 결과로 이끌수 있다고 판단된다.
ASCE 41-17의 절차에 따라 계산된 조적 끼움벽의 압축 스트럿 유효폭은 유한요소해석을 통해 산정된 유효폭에 비하여 24~32% 작게 관찰되었다. 또한 대상 시스템의 하중 저항성능은 ASCE 41-17의 압축 스트럿 개념을 적용한 경우 유한요소 해석을 통한 결과에 비해 약 28% 작게 나나났다.
ASCE 41-17의 절차에 따라 계산된 조적 끼움벽의 압축 스트럿 유효폭은 유한요소해석을 통해 산정된 유효폭에 비하여 24~32% 작게 관찰되었다. 또한 대상 시스템의 하중 저항성능은 ASCE 41-17의 압축 스트럿 개념을 적용한 경우 유한요소 해석을 통한 결과에 비해 약 28% 작게 나나났다. 종합해 보면, ASCE 41-17의 조적 끼움벽에 대한 압축 스트럿 절차를 적용하면 약 25% 수준의 보수적인 설계로 귀결됨을 알 수 있었다.
또한 대상 시스템의 하중 저항성능은 ASCE 41-17의 압축 스트럿 개념을 적용한 경우 유한요소 해석을 통한 결과에 비해 약 28% 작게 나나났다. 종합해 보면, ASCE 41-17의 조적 끼움벽에 대한 압축 스트럿 절차를 적용하면 약 25% 수준의 보수적인 설계로 귀결됨을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조적 끼움벽(Masonry Infill)의 일반적 구성은?	조적 끼움벽(Masonry Infill)은 철근 콘크리트 또는 철골 기둥과 보로 이루어진 골조에서 벽돌(Brick)이나 콘크리트 블록 (Concrete Masonry Unit, CMU) 등을 이용하여 벽체를 구성한 것이 일반적이다. 조적 끼움벽은 외벽으로 흔히 사용되고 있으나, 경우에 따라서는 건물 내부의 간막이벽이나 엘리베이터 샤프트 등으로 사용되는 예도 적지 않다.
	조적조(Masonry)는 무엇인가?	건축물은 주요 구조물(Primary Structure)을 통하여 요구되는 하중을 지지하며 보조 구조물(Secondary Structure)을 이용하여 공간을 구획하게 된다. 조적조(Masonry)는 건축물의 내 외부에 흔히 쓰이는 구조시스템으로 그 자체로 주요 구조물로 설계되는 경우도 있으며, 철근콘크리트 또는 철골 등 다른 재료의 주요 구조물과 함께 보조적으로 사용되기도 한다. 조적벽을 주요 구조물에 추가하여 적용할 경우, 조적벽은 설계 과정에서 고려되지 않는 것이 일반적이며 공간구획의 용도로 사용된다.
	기둥 사이에 낮은 조적조를 적용한 경우, 지진하중 발생 시 면내강 성(In-plane Stiffness)이 큰 조적벽은 상대적으로 유연한 기둥의 전단파괴를 유발하는 이유는?	특히 건축물의 외벽에서 창호를 배치하기 위하여 기둥사이에 낮은 조적조를 적용한 경우, 지진하중이 작용하면 면내강 성(In-plane Stiffness)이 큰 조적벽은 상대적으로 유연한 기둥의 전단파괴(Shear Failure)를 유발시킨다. 조적 끼움벽은 횡하중에 대하여 면내 대각선 방향의 압축 스트럿(Compression Strut)이 발생하여 강도와 강성이 커지고 이 하중을 기둥에 전달하기 때문이다. 이러한 위험성을 완화시키고자 조적조를 기둥과 물리적으로 분리시키는 상세를 적용하기도 하며, 기둥의 전단성능을 증대하는 노력을 기울이고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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